燒結常用鐵礦粉高溫基礎性能試驗研究

馬永廣

（安陽鋼鐵股份有限公司）

0 引言

鐵礦粉的燒結基礎特性是指鐵礦石在燒結過程中呈現出的自身特有的高溫反應特性，是評價鐵礦石對燒結礦各項冶金性能影響的基本指標，主要包括同化性、液相流動性、粘結相強度、連晶性能和鐵酸鈣生成能力。鐵礦石的同化性是指鐵礦石在燒結過程中的低熔點液相生成能力，即鐵礦石礦物、脈石與CaO的反應能力[1-2]。鐵礦石的液相流動性是指在燒結過程中鐵礦石生成粘結相的流動能力。鐵礦石的粘結相強度是指鐵礦石在燒結過程中形成的液相粘結其周圍的核礦石的能力。鐵礦石的連晶強度是指鐵礦石在燒結過程中靠晶鍵連接獲得強度的能力。鐵礦石的鐵酸鈣生成特性是指在燒結過程中復合鐵酸鈣的生成能力。鐵礦粉燒結的理論和實踐均表明，根據鐵礦石各種性能的不同，可以對燒結生產配礦進行優化，以有效地改善燒結礦的強度和冶金性能[3-4]。

1 國內外研究現狀

國內外科技工作者對礦石熱態性能做了大量的研究，研究的基本思路和方法主要有以下幾種：（1）Takayuki MAEDA，Yoichi ONO等將粉狀的化學試劑按設定的成分混合，壓制成直徑45～47 mm的壓塊，然后放入鎂質坩堝中加熱到1 300 ℃，用來研究鐵酸鈣及孔洞的情況，該方法還對壓塊做了還原性測定；（2）日本的Fumio MATSLJN0等人將各種原料粉碎至0.125 mm以下，配料混勻后，把約15 g的混合料在鋼模中壓成直徑15 mm的小餅，然后放到電爐中加熱到所需溫度，最后通過顯微鏡，X一衍射、EPMA進行觀察并檢查結果；（3）北京科技大學燒結球團研究室將各種原料粉碎至一定粒度后，利用自行設計的微型燒結裝置(紅外線加熱爐)研究了它的同化性能、液相流動性能、粘結相強度性能、鐵酸鈣生成性能；（4）東北大學研究者將各種原料粉碎至一定粒度后，利用熔體物性綜合儀主要研究了它的粘結相強度；（5）中南大學燒結球團研究所利用壓團——管爐焙燒方法，將各種原料粉碎至一定粒度后，主要研究了鐵酸鈣開始大量生成的溫度、鐵酸鈣最大生成溫度、鐵酸鈣最大生成量、鐵酸鈣大量生成的溫度區間等性能。

2 試驗設備及研究方法

選部分鐵礦粉進行燒結基礎特性研究。研究的內容包括鐵礦石的同化特性、液相流動特性、粒度變化對流動性影響、礦石之間交互反應、融化速度等，并對其進行分析評價。

2.1 試樣制作

CaO為化學純試劑、礦粉來源于安鋼原料場。將試驗所用的鐵礦粉在110 ℃的烘箱內干燥2 h，冷卻后研磨并篩分，取小于100 目的礦粉和小于100 目的CaO作為試驗用樣品，皆放入干燥皿保存。小餅試樣的稱重采用精確到萬分之一的電子天平。小餅試樣的壓制采用“干粉壓制法”。壓制小餅的壓力為10 MPa，并在此壓力下保持2 min。

2.2 試驗設備

本試驗采用的主要試驗設備有稱量裝置、壓制強度裝置、壓樣試驗裝置和微型燒結法試驗裝置。

2.3 研究方法

利用基礎特性、燒結杯等設備研究不同類型鐵礦粉的高溫物理和化學特征及行為，研究鐵礦粉的同化性、流動性以及礦石粒度、成分、礦石交互反應等對礦石同化性、流動性的影響。

3 基礎試驗研究

3.1 原料成分

礦石取自于安鋼原料場，選取幾種常用礦石作為研究對象，如俄羅斯堿精、邯刑精礦、巴卡、國王粉、楊迪粉、羅伊山粉、PB粉、南非粉、海南精礦，成分見表1。

表1 常用鐵礦粉成分 %

3.2 礦石基礎特性試驗

3.2.1 基礎數據

根據礦石基礎特性實驗方法對原料進行基礎特性試驗，結果見表2。

表2 常用鐵礦粉的同化溫度和流動性

3.2.2 結果分析

（1）同化溫度。鐵礦的同化性是指其在燒結過程中與（CaO）的反應能力，它表征的是鐵礦在燒結過程中生成液相的難易程度。一般而言，同化溫度越高說明鐵礦在燒結過程中生液相的溫度越高，與（CaO）的反應能力越弱，反之，表示反應能力越強。根據燒結鐵酸鈣適宜生成溫度理論（1 250～1 290 ℃）劃分，結合表2的數據可以看出，同化溫度較高的礦有：俄羅斯堿精、邯刑精礦等；同化溫度較低的有：國王粉、楊迪粉；同化溫度居中的有：南非粉、PB粉、海南精礦等。

（2）流動性。是指在燒結過程中鐵礦石生成粘結相的流動能力，以及鐵礦石在燒結過程中形成的液相粘結其周圍的核礦石的能力。它表征的是粘結相的“有效粘結范圍”和浸潤性。一般液相流動性較高時，其粘結周圍物料的范圍也越大，燒結礦強度提高；反之，鐵礦粉的液相流動性過低，容易導致液相量不足，使燒結礦強度降低。粘結相的流動性過大，對周圍物料的粘結厚度會變薄，燒結礦易形成薄壁大孔結構，導致燒結礦強度下降。從表2的數據來看，俄羅斯堿精和巴卡粉流動性較差，在實驗溫度下不流動，其主要特點是礦石中的SiO2含量偏低，其次俄羅斯堿精含有較高MgO，海南精粉流動性較高，其特點是具有較高的SiO2和適宜的MgO，南非粉、國王粉、PB粉、邯刑精礦、楊迪粉流動性適中；影響礦石流動性的因素主要是SiO2含量，SiO2是液相生成的基礎，形成復合鐵酸鈣（SFCA）的必須條件，較高SiO2有利于生產較多的液相，因此流動性較高，而在SiO2適中時，適宜的MgO含量可改善渣的流動性，使得礦石流動性增加。

從燒結角度，如果鐵礦粉與CaO的流動性過弱，則在正常的燒結溫度和燒結時間下，由于產生的液相數量少，不利于燒結混合料的熔化粘結，從而影響燒結礦的固結強度；同時，由于高堿度燒結礦配入較多的CaO，若鐵礦粉的同化能力弱，就有可能因為反應不完全而出現CaO殘余物(俗稱白點)，它遇水后形成Ca（OH）2，導致燒結礦的破碎。反之，如果鐵礦粉的同化能力過強，則在正常的燒結溫度和時間下，會引起燒結過程中大量液相的快速形成，導致起固結骨架作用的核礦石減少以及燒結料層高溫透氣性惡化，從而影響燒結礦的產量和質量。

3.3 礦石成分、粒度對基礎特性的影響

3.3.1 粒度對基礎特性影響

選擇以下幾種典型礦進行粒度組成對礦石基礎特性影響的研究。粒度組成分為-100目，+100目兩種。試驗結果見表3。

表3 粒度對礦石流動性的影響 倍

從表3可以看出，隨著粒度的增大礦石的流動變差，但對不同類型的礦石流動性影響不同，對于結構致密的巴西礦、南非礦，粒度變化對流動性較大，對于結構松散，結晶水含量較高的褐鐵礦超特粉來講，影響較小。因此在配礦是需要對礦石的粒級組成進行檢測及分析。

3.3.2 Al2O3對基礎特性影響

隨著礦石開采，優質資源變少，礦石開始出現劣化，同類礦的Al2O3開始升高，因此，進行了Al2O3含量變化對礦石流動性的影響研究。選擇幾種典型礦為對象：褐鐵礦（超特粉）、赤鐵礦（南非粉）、磁鐵礦（海南精），實驗結果見表4。

表4 Al2O3對礦石流動性的影響 倍

從表4可以看出，配加Al2O3后超特粉流動性變化不大，這可能與超特粉自身Al2O3含量較高有關，南非粉配加Al2O3流動性變化較大，南非粉自身含Al2O3較低，可能與增加Al2O3后SFCA生成增加，流動改善；而海南精礦配加Al2O3流動性降低，海南精粉流動本身很好，Al2O3添加入后影響了其流動性。

3.4 不同類型礦石搭配后對基礎特性的影響

褐鐵礦是近年來原料結構中使用比例較高的礦種，鑒于此，研究了不同典型礦與褐鐵礦搭配混合礦的流動性變化，配比按照1:1，試驗結果見表5。

表5 不同類型礦搭配對流動性影響

從表5可以看出，不同類型的礦石搭配后，海南精粉、巴卡與超特搭配后流動性的加權值與實驗值變化較大，這說明兩者之間發生強烈的反應；南非與超特粉搭配后，流動性加權值與實驗值略有變化，說明兩種礦之間交互反應不強烈。

3.5 熔化速率研究

礦石的熔化速度對燒結過程有著重要的影響，因此有必要進行研究。其表征為開始熔化時間至熔化終了時間的間隔，試驗結果見表6。

表6 熔化速度 min

從表6可以看出，南非粉的熔化速度較慢，超特粉熔化速度居中，海南精粉的熔化速度最快；原因分析南非粉較為致密，反應速度較慢，超特粉為褐鐵礦，隨結晶水析出，孔隙率較多，有利于提高反應，海南精粉是磁鐵礦，粒度較細，且含有較高的FeO，另外，含有較高的堿金屬（0.17%),這些因素可能是造成熔化速度快的原因。較高的熔化速度可能會迅速的形成液相，但當配加量過大時，會因為液相量的過大，造成燒結料層透氣性惡化。

4 結論

（1）褐鐵礦具有較低的同化溫度和較高的流動；巴西礦由于結構致密，具有較高同化溫度；高MgO資源具有較高同化溫度；國內精礦含有鏡鐵礦的資源具有較高的同化溫度。

（2）流動性與礦石的SiO2、結晶水等有關，巴西較高SiO2資源具有較高的流動性；安鋼用資源絕大部分具有較好的流動性。

（3）適宜的MgO可以增加礦石的流動性，但過高MgO由于液相形成溫度過高，使得流動性變差。

（4）同化溫度較低、流動性較好的褐鐵礦與同化溫度較高的巴西資源和國內資源搭配使用效果較佳。